Google Quantum AI 週四表示，一項名為「魔術態培育」（magic state cultivation）的技術將其 Willow 晶片上的錯誤率降低了約 40 倍，並以創紀錄的 99.99% 保真度產出魔術態。該公司表示，這項量子運算領域最有前景的理論技巧之一，如今已轉化為實際在晶片上運作的技術，成果已於週四發表於《Science》。

魔術態是執行實用量子程式所需的一次性資源，Google 表示，部分估計認為製造魔術態的成本可能高達量子電腦整體容量的 95%。

降低量子電腦的建造成本，其意義遠超物理實驗室。這不僅讓機器能早日執行實用任務，例如設計藥物與新材料——同樣地，也會讓破解保護銀行登入與比特幣錢包加密技術的那一天提前到來。

魔術態為何重要

量子電腦以量子位元（qubits）運作——量子位元可同時保持 0 與 1 的疊加狀態，使其能平行探索多個答案。但它們也極為脆弱：些微的熱量或電雜訊就可能翻轉量子位元並毀掉整個運算，這正是整個產業如此執著於量子糾錯的原因——將一項資訊分散儲存在多個量子位元上，以便偵測並修正錯誤。Google 於 2024 年 12 月發表的 Willow 晶片在真實硬體上驗證了這一原則：隨著糾錯碼規模擴大，錯誤率不升反降。

量子糾錯能夠妥善處理簡單的操作，但真正實用的程式還需要一類無法以同樣方式保護的更困難操作。要執行這些操作，機器必須先製造魔術態，其作用如同這些操作的一次性燃料電池：每一個都在使用時即被消耗。

製造乾淨的魔術態一向代價高昂。根據 Google 的說法，部分估計認為其成本可能高達量子電腦整體容量的 95%，留給實際運算的空間所剩無幾。

從蒸餾到培育

物理學家 Sergei Bravyi 與 Alexei Kita 於 2004 年提出了標準解決方案——魔術態蒸餾，即將大量含雜訊的魔術態提煉為少數乾淨的魔術態。這種方法確實可行，但需要佔地龐大且不做其他工作的量子位元「工廠」。

2024 年，Google 研究人員提出了一條更便宜的路徑，命名為魔術態培育。這項技術不像工廠，而更像過濾器：將粗糙的魔術態注入晶片的一小塊區域，對其執行一連串檢驗，剔除每一個偵測到缺陷的嘗試，並持續擴增存活者。他們的論文甚至指出，進一步的蒸餾「在實務上可能永遠不再需要」。

「在 Google Quantum AI 的 Willow 處理器上，我們的協定相較於未培育的態實現了非凡的 40 倍錯誤率降低。而且我們獲得了邏輯保真度創紀錄達 99.99% 的 T 態，」Google 在其公告中表示。T 態是應用 T 閘所消耗的特定魔術態，而 T 閘正是量子糾錯無法自行保護的較困難操作之一。

僅約 8% 的嘗試通過了所有檢驗，這意味著晶片每保留一個乾淨的態，就要丟棄超過十次嘗試中的九次。

密碼學上的意涵

培育技術是 Gidney 2025 年估計背後的關鍵之一，即破解 RSA-2048 加密可能只需不到一百萬個含雜訊的量子位元，較他 2019 年估計的兩千萬個降低了 20 倍。

Google 在 3 月繼續加碼，當時一份由 Ethereum 基金會研究員 Justin Drake 與史丹佛密碼學家 Dan Boneh 共同撰寫的 Quantum AI 白皮書估計，破解比特幣的橢圓曲線密碼學——即防止任何人從公開地址推導出私鑰的數學——所需的物理量子位元少於 50 萬個。此前，該公司於去年 10 月進行了 Quantum Echoes 實驗，這是首次在真實硬體上獲得驗證的量子加速。

防禦也在按自己的節奏推進：NIST 於 2024 年 8 月確定了首批後量子密碼學標準——專為抵禦未來大型量子機器攻擊而設計的演算法——並提議在 2035 年後於聯邦系統中禁用 RSA 與橢圓曲線密碼學等易受量子攻擊的公鑰方案。

距離破解密碼仍然遙遠

沒有人能用這項技術掏空錢包。這項實驗最多只使用了 Willow 105 個量子位元中的 54 個，且論文指出，分解 RSA-2048 金鑰將需要錯誤率約為百億分之一的魔術態——大約比 Google 剛剛實現的成果乾淨一百萬倍。

下一步

Google 表示，下一步是在更大規模上執行培育。團隊預測，將 Willow 的底層硬體雜訊減半，可將魔術態錯誤率降至約十萬分之二，因為此過程中的錯誤會隨晶片雜訊水準的立方而縮減。約 8% 的通過率是另一個值得關注的數字：通過所有檢驗的嘗試越多，機器容量浪費在最終被丟棄的嘗試上的部分就越少。